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半導體激光器的發展

知識百科

半導體物理學的迅速發展及隨之而來的晶體管的發明 ， 使科學家們早在50年代就設想發明半導體激光器 ， 60年代早期 ， 很多小組競相進行這方面的研究 。 在理論分析方面 ， 以莫斯科列別捷夫物理研究所的尼古拉巴索夫的工作最為杰出 。
在1962年7月召開的固體器件研究國際會議上 ， 美國麻省理工學院林肯實驗室的兩名學者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）報告了砷化鎵材料的光發射現象 ， 這引起通用電氣研究實驗室工程師哈爾（Hall）的極大興趣 ， 在會后回家的火車上他寫下了有關數據 。 回到家后 ， 哈爾立即制定了研制半導體激光器的計劃 ， 并與其他研究人員一道 ， 經數周奮斗 ， 他們的計劃獲得成功 。
像晶體二極管一樣 ， 半導體激光器也以材料的p-n結特性為基礎 ， 且外觀亦與前者類似 ， 因此 ， 半導體激光器常被稱為二極管激光器或激光二極管 。
早期的激光二極管有很多實際限制 ， 例如 ， 只能在77K低溫下以微秒脈沖工作 ， 過了8年多時間 ， 才由貝爾實驗室和列寧格勒（現在的圣彼得堡）約飛（Ioffe）物理研究所制造出能在室溫下工作的連續器件 。 而足夠可靠的半導體激光器則直到70年代中期才出現 。
 
半導體激光器體積非常小 ， 最小的只有米粒那樣大 。 工作波長依賴于激光材料 ， 一般為0.6～1.55微米 ， 由于多種應用的需要 ， 更短波長的器件在發展中 。 據報導 ， 以Ⅱ～Ⅳ價元素的化合物 ， 如ZnSe為工作物質的激光器 ， 低溫下已得到0.46微米的輸出 ， 而波長0.50～0.51微米的室溫連續器件輸出功率已達10毫瓦以上 。 但迄今尚未實現商品化 。
 光纖通信是半導體激光可預見的最重要的應用領域 ， 一方面是世界范圍的遠距離海底光纖通信 ， 另一方面則是各種地區網 。 后者包括高速計算機網、航空電子系統、衛生通訊網、高清晰度閉路電視網等 。 但就目前而言 ， 激光唱機是這類器件的最大市場 。 其他應用包括高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示 ， 及各種醫療應用等 。
20世紀60年代初期的半導體激光器是同質結型激光器 ， 它是在一種材料上制作的pn結二極管在正向大電流注人下 ， 電子不斷地向p區注人 ， 空穴不斷地向n區注人.于是 ， 在原來的pn結耗盡區內實現了載流子分布的反轉 ， 由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快 ， 在有源區發生輻射、復合 ， 發射出熒光 ， 在一定的條件下發生激光 ， 這是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光器 。
半導體激光器發展的第二階段是異質結構半導體激光器 ， 它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層 ， 如GaAs, GaAlAs所組成 ， 最先出現的是單異質結構激光器(1969年).單異質結注人型激光器(SHLD)是利用異質結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結的P區之內 ， 以此來降低閥值電流密度 ， 其數值比同質結激光器降低了一個數量級 ， 但單異質結激光器仍不能在室溫下連續工作 。
1970年 ， 實現了激光波長為9000Å.室溫連續工作的雙異質結GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁砷)激光器.雙異質結激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬 ， 線寬和調諧性能逐步提高 ， 其結構的特點是在P型和n型材料之間生長了僅有0. 2 Eam厚的 ， 不摻雜的 ， 具有較窄能隙材料的一個薄層 ， 因此注人的載流子被限制在該區域內(有源區) ， 因而注人較少的電流就可以實現載流子數的反轉 。 在半導體激光器件中 ， 目前比較成熟、性能較好、應用較廣的是具有雙異質結構的電注人式GaAs二極管激光器 。
隨著異質結激光器的研究發展 ， 人們想到如果將超薄膜(< 20nm)的半導體層作為激光器的激括層 ， 以致于能夠產生量子效應 ， 結果會是怎么樣?再加之由于MBE,MOCVD技術的成就 ， 于是 ， 在1978年出現了世界上第一只半導體量子阱激光器(QWL) ， 它大幅度地提高了半導體激光器的各種性能.后來 ， 又由于MOCVD,MBE生長技術的成熟 ， 能生長出高質量超精細薄層材料 ， 之后 ， 便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器 ， 量子阱半導體激光器與雙異質結(DH)激光器相比 ， 具有闌值電流低、輸出功率高 ， 頻率響應好 ， 光譜線窄和溫度穩定性好和較高的電光轉換效率等許多優點 。
QWL在結構上的特點是它的有源區是由多個或單個阱寬約為100人的勢阱所組成 ， 由于勢阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波長 ， 產生了量子效應 ， 連續的能帶分裂為子能級.因此 ， 特別有利于載流子的有效填充 ， 所需要的激射閱值電流特別低.半導體激光器的結構中應用的主要是單、多量子阱 ， 單量子阱(SQW)激光器的結構基本上就是把普通雙異質結(DH)激光器的有源層厚度做成數十nm以下的一種激光器 ， 通常把勢壘較厚以致于相鄰勢阱中電子波函數不發生交迭的周期結構稱為多量子阱(MQW ).量子阱激光器單個輸出功率現已大于1w ， 承受的功率密度已達l OMW/cm3以上[c)而為了得到更大的輸出功率 ， 通?？梢园言S多單個半導體激光器組合在一起形成半導體激光器列陣 。 因此 ， 量子阱激光器當采用陣列式集成結構時 ， 輸出功率則可達到l00w以上.近年來 ， 高功率半導體激光器(特別是陣列器件)飛速發展 ， 已經推出的產品有連續輸出功率5 W ,1ow,20w和30W的激光器陣列.脈沖工作的半導體激光器峰值輸出功率50w. 120W和1500W的陣列也已經商品化.一個4. 5 cm x 9cm的二維陣列 ， 其峰值輸出功率已經超過45kW.峰值輸出功率為350kW的二維陣列也已問世 。
從20世紀70年代末開始 ， 半導體激光器明顯向著兩個方向發展 ， 一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器.另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器.在泵浦固體激光器等應用的推動下 ， 高功率半導體激光器(連續輸出功率在100 ， 以上 ， 脈沖輸出功率在5W以上 ， 均可稱之謂高功率半導體激光器)在20世紀90年代取得了突破性進展 ， 其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加 ， 國外千瓦級的高功率半導體激光器已經商品化 ， 國內樣品器件輸出已達到600W[61.如果從激光波段的被擴展的角度來看 ， 先是紅外半導體激光器 ， 接著是670nm紅光半導體激光器大量進人應用 ， 接著 ， 波長為650nm,635nm的問世 ， 藍綠光、藍光半導體激光器也相繼研制成功 ， 10mw量級的紫光乃至紫外光半導體激光器 ， 也在加緊研制中[a}為適應各種應用而發展起來的半導體激光器還有可調諧半導體激光器 ， 電子束激勵半導體激光器以及作為“集成光路”的最好光源的分布反饋激光器(DFB一LD) ， 分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成雙波導激光器.另外 ， 還有高功率無鋁激光器(從半導體激光器中除去鋁 ， 以獲得更高輸出功率 ， 更長壽命和更低造價的管子)、中紅外半導體激光器和量子級聯激光器等等.其中 ， 可調諧半導體激光器是通過外加的電場、磁場、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長 ， 可以很方便地對輸出光束進行調制.分布反饋(DF 式半導體激光器是伴隨光纖通信和集成光學回路的發展而出現的 ， 它于1991年研制成功 ， 分布反饋式半導體激光器完全實現了單縱模運作 ， 在相干技術領域中又開辟了巨大的應用前景它是一種無腔行波激光器 ， 激光振蕩是由周期結構(或衍射光柵)形成光藕合提供的 ， 不再由解理面構成的諧振腔來提供反饋 ， 優點是易于獲得單模單頻輸出 ， 容易與纖維光纜、調制器等輛合 ， 特別適宜作集成光路的光源 。
單極性注人的半導體激光器是利用在導帶內(或價帶內)子能級間的熱電子光躍遷以實現受激光發射 ， 自然要使導帶和價帶內存在子能級或子能帶 ， 這就必須采用量子阱結構.單極性注人激光器能獲得大的光功率輸出 ， 是一種商效率和超商速響應的半導體激光器 ， 并對發展硅基激光器及短波激光器很有利.量子級聯激光器的發明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長范圍內產生特定波長激光的途徑.它只用同一種材料 ， 根據層的厚度不同就能得到上述波長范圍內的各種波長的激光.同傳統半導體激光器相比 ， 這種激光器不需冷卻系統 ， 可以在室溫下穩定操作.低維(量子線和量子點)激光器的研究發展也很快 ， 日本okayama的GaInAsP/Inp長波長量子線(Qw+)激光器已做到9OkCW工作條件下Im =6.A,l =37A/cm2并有很高的量子效率.眾多科研單位正在研制自組裝量子點(QD)激光器 ， 目前該QDLD已具有了高密度 ， 高均勻性和高發射功率[U1.由于實際需要 ， 半導體激光器的發展主要是圍繞著降低闊值電流密度、延長工作壽命、實現室溫連續工作 ， 以及獲得單模、單頻、窄線寬和發展各種不同激射波長的器件進行的 。
20世紀90年代出現并特別值得一提的是面發射激光器(SEL) ， 早在1977年 ， 人們就提出了所謂的面發射激光器 ， 并于1979年做出了第一個器件 ， 1987年做出了用光泵浦的780nm的面發射激光器.1998年GaInAIP/GaA 。 面發射激光器在室溫下達到亞毫安的網電流,8mW的輸出功率和11%的轉換效率[2)前面談到的半導體激光器 ， 從腔體結構上來說 ， 不論是F一P(法布里一泊羅)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔 ， 激光輸出都是在水平方向 ， 統稱為水平腔結構.它們都是沿著襯底片的平行方向出光的.而面發射激光器卻是在芯片上下表面鍍上反射膜構成了垂直方向的F一p腔 ， 光輸出沿著垂直于襯底片的方向發出 ， 垂直腔面發射半導體激光器(VCSELS)是一種新型的量子阱激光器 ， 它的激射闊值電流低 ， 輸出光的方向性好 ， 藕合效率高 ， 通過陣列化分布能得到相當強的光功率輸出 ， 垂直腔面發射激光器已實現了工作溫度最高達71 `C 。 另外 ， 垂直腔面發射激光器還具有兩個不穩定的互相垂直的偏振橫模輸出 ， 即x模和y模 ， 目前對偏振開關和偏振雙穩特性的研究也進入到了一個新階段 ， 人們可以通過改變光反饋、光電反饋、光注入、注入電流等等因素實現對偏振態的控制 ， 在光開關和光邏輯器件領域獲得新的進展 。 20世紀90年代末 ， 面發射激光器和垂直腔面發射激光器得到了迅速的發展 ， 且已考慮了在超并行光電子學中的多種應用.980mn,850nm和780nm的器件在光學系統中已經實用化.目前 ， 垂直腔面發射激光器已用于千兆位以太網的高速網絡[21為了滿足21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要 ， 半導體激光器的發展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID,短波長LD,盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面.目前 ， 在這些方面取得了一系列重大的成果 。